Propiedades electrónicas de C-TiO2(B) y B-TiO2(B) para aplicaciones fotocatalíticas

HERMAN HEFFNER; RICARDO FACCIO; IGNACIO LÓPEZ CORRAL

Mar del Plata

Congreso; XX Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales; 2022

Asociación Argentina de Materiales

La titania o dióxido de titanio (TiO2) es uno de los materiales semiconductores más elegidos al momento de diseñar y fabricar dispositivos fotocatalíticos, como celdas solares y sistemas de producción de hidrógeno, gracias a su alta disponibilidad, nula toxicidad, bajo costo y excelentes propiedades químicas y eléctricas. En particular, el polimorfo de bronce o “B” ha generado gran expectativa por sus potenciales aplicaciones en baterías recargables de litio. Sin embargo, el TiO2 tiene un valor de energía de banda prohibida (Eg) relativamente elevado: 3,2 eV para anatasa; 3,0 eV para rutilo y entre 3,0–3,2 eV para el polimorfo de bronce, por lo que su espectro de absorción está restringido a la región UV. Dado que en este tipo de dispositivos la máxima absorción de luz solar es clave en términos de eficiencia, uno de los principales objetivos al considerar la aplicación del TiO2 en sistemas fotocatalíticos consiste en disminuir su rango de banda prohibida para ampliar el espectro de absorción hacia la región visible–infrarroja.En este trabajo, se estudió mediante la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) el comportamiento electrónico de TiO2(B) dopado con carbono y con boro, con el objetivo de comprender los cambios producidos por el dopaje sustitutivo sobre las propiedades estructurales y electrónicas de potenciales materiales fotocatalíticos basados en bronce de titania. Para ello se hizo uso del código VASP, en el marco del modelo de Hubbard. En primer lugar, se modelaron sistemas dopados en sitios de oxígeno (C@O y B@O) de la fase bulk de TiO2(B), luego se calculó la energía de formación (Ef) para obtener los sitios preferenciales de dopaje, y finalmente se evaluó la densidad de estados (DOS) en los sistemas optimizados más estables.Los resultados obtenidos indican que las sustituciones que menos energía requieren tienen lugar en los sitios O3C1 y O2C, tanto para carbono como para boro. En ambos casos, el dopado posee una marcada influencia sobre las propiedades electrónicas del TiO2(B). Si bien no se registraron disminuciones significativas en el valor de Eg para los sistemas B–TiO2(B), en coincidencia con resultados experimentales sobre anatasa, por el contrario se verificó para todos los sistemas la introducción de estados de impureza en la banda de energía prohibida, lo cual conduce a un notorio desplazamiento del máximo de absorción hacia la región IR del espectro. En el caso del modelo B@O3C1 se obtuvo asimismo una gran distorsión estructural, debido a que el átomo de boro migró desde un sitio sustitucional a una posición intersticial, lo cual se encuentra en consonancia con estudios previos tanto teóricos como experimentales sobre anatasa y rutilo. De esta forma, el estudio realizado sugiere que el dopado de TiO2(B) con átomos de carbono o de boro conduce a un aumento significativo en la absorción de luz. Sin embargo, debido a la introducción de estados de impureza, resulta imprescindible considerar un adecuado diseño optoelectrónico para así disminuir los efectos negativos asociados a la pérdida de portadores de carga por recombinación.